基于物聯網的地鐵隧道滲漏水安全監測研究現狀分析

黃富禹 劉 春* 李 哲

（重慶科技學院，重慶401331）

1 概述

地鐵作為人們生活工作中必不可少的一種出行方式，因其運輸量大，速度快，節省城市地面空間而備受歡迎。地鐵隧道工程的發展與城市繁榮息息相關，因此，地鐵隧道工程的興建能為城市帶來經濟，社會等方面的收益。

伴隨著大量隧道工程投入地鐵運營，各城市的地鐵隧道在運營中出現或不同種類，不同程度的危害，包括圍巖損裂，拱頂沉降，滲漏水等危害。因大部分隧道地鐵工程位于地下水位以下，所以，滲漏水成為了其主要病害[1]。滲漏水病害在隧道中主要以拱頂、拱腳及隧道圍巖等處的潤濕、滲濕甚至漏水的方式呈現。滲漏水病害嚴重可能會導致隧道出現結構開裂，內部鋼軌生銹、腐蝕等情況。如不對隧道滲漏水進行監測，及時對其進行處理，滲漏水病害甚至會危害到隧道的結構穩定性，影響隧道的使用壽命，嚴重者則會造成人員傷亡及財產損失。因此，對隧道進行滲漏水的監測及有效的防護治理是必不可少的。

2 隧道滲漏水的危害

2.1 隧道結構腐蝕

隧道滲漏水會對隧道結構逐步腐蝕，其地下水中帶有的化學物質可能會加劇腐蝕的嚴重程度。腐蝕到一定程度則會造成隧道整體結構的損失，增加隧道運營的風險。

2.2 襯砌裂縫滲漏水

襯砌裂縫主要是由于隧道工程所處地質條復雜，隧道圍巖壓力過大，襯砌厚度不足等造成。其會導致存在較多滲漏水的襯砌開裂，在地面降水量過大的情況下，地下水會沿著隧道襯砌裂損部位流入隧道中。

2.3 滲漏水導致地表塌陷

地表塌陷的原因主要是在暴雨季節，地表水沿裂隙流入地下，將地表浮圖層的松散泥沙被掏空，導致塌陷不斷下沉。

3 物聯網技術在隧道滲漏水安全監測中的應用

3.1 物聯網概述

物聯網技術是以互聯網技術為基礎和核心，在互聯網網絡用戶端的基礎上進行了延伸和擴展[3]。

物聯網主要是以感知層、網絡層以及應用層組成。感知層主要包括各種智能傳感技術，如射頻識別技術、三維激光掃描器、溫度傳感器、以及無線傳輸技術所配套的監測儀器。網絡層是實現感知層與應用層之間進行信息交流的技術手段，是物聯網技術實現工程監測的關鍵所在。網絡層在于能夠把數據準確、有效的傳輸到應用層，其關鍵在于數據的傳輸處理要達到安全、穩定的目的[4]。

應用層的功能是在獲取監測數據后，對數據進行分析處理，并對不同的數據的分析處理情況做出科學化、及時化的反饋和措施。

圖1 物聯網三層架構體系

圖2 物聯網系統監測流程

3.2 隧道滲漏水監測系統設計

3.2.1 數據采集：采用三維激光掃描儀、溫度傳感器等對隧道滲漏水進行數據采集；

3.2.2 數據處理：利用無線傳輸系統獲得數據后，對隧道滲漏水數據進行分析處理，主要針對每100m2滲漏點數量、單個滲漏點浸濕面積和滲漏水裂縫寬度等；

3.2.3 數據預測：通過對數據的分析處理，結合物聯網大數據對隧道整體的滲漏水情況進行預測，可實現滲漏水單點預測及多點預測；

3.2.4 監控預警：利用物聯網技術對隧道進行周期性的在線監控和實時監控；

3.2.5 建模可視化：結合BIM技術可實現隧道三維可視化，能夠實時查看隧道滲漏水情況，達到圖層管理、交互操作的目的；

3.2.6 結果輸出：監測系統能夠分析并得出滲漏水面積表、滲漏水病害等級及危害程度等。

3.3 隧道滲漏水監測系統監測內容

3.3.1 隧道施工縫；

3.3.2 襯砌裂縫處；

3.3.3 管道穿墻處；

3.3.4 預埋件部位；

3.3.5 隧道進出口明洞段。

通過監測滲漏水發生的集中部位，將感知層的傳感器按照要求的距離、角度布置。目前主要采用三維激光掃描儀器及智能溫度傳感器對其進行監測[5]。主要的監測指標有以下幾點：

a.每100m2滲漏點；

b.單個浸濕面積；

c.單個滲漏點最大滲漏水量；

d.每100m2平均滲漏水量；

e.平均滲漏水量。

3.4 隧道滲漏水病害等級劃分

基于不同隧道具體的地質條件，水文環境及施工、運營管理方法有所區別，本文采用定性的方法對隧道滲漏水病害進行等級劃分，具體等級劃分參數可根據不同隧道實際情況以及相關規范進行確定。

表1 隧道滲漏水病害等級

隧道滲漏水病害等級劃分1 級（濕潤） 隧道結構表面出現濕潤現象，保持正常養護。

2 級（滲潤） 隧道結構有水滲出，存在安全隱患。需加強養護。

3 級（滴水） 隧道結構有水滴出，處于不安全狀態，需及時維修。

4 級（漏水） 隧道結構有水漏出，應停止隧道運營，并采取維修措施。

5 級（射水） 隧道極不安全，危機人、車，應立即采取緊急維修措施。

4 結論與展望

4.1 通過總結隧道滲漏水的來源，對隧道滲漏水產生的原因及影響因素進行分析，和對隧道滲漏水自動化監測的研究得出一套完善的隧道滲漏水評價、預警系統。

4.2 監測系統作為一種大型完善的設備體系，在整個隧道上進行安裝布置成本極高。在監測展開的同時，應盡量降低成本。

圖3 隧道滲漏水物聯網監測系統技術架構

4.3 探索更多隧道滲漏水的影響因素，更加完善的隧道滲漏水病害等級劃分的評價指標。

4.4 由于不同隧道環境復雜性，三維激光掃描技術的使用有一定的局限性。需對物聯網技術中的感知層進行拓展，達到在復雜環境下能夠穩定、快速的采集數據的目的。